面向新工科的酶工程CDIO课程教学改革与实践

［摘 要］酶工程技术性、应用性极强，具有多学科交叉融合的特点。为了适应新工科培养要求，更好地服务区域经济发展，培养卓越工程师，相关高校和科研机构对酶工程课程进行了教学改革。首先，优化教学大纲，整合课程内容；其次，强化实践教学环节，将线上教学和线下实践相结合，引入虚拟仿真实验，增加酶制剂生产企业调研环节；再次，融入思政元素，讲述酶学研究或酶制剂产业背后的科学及人文故事；最后，丰富授课形式，注重过程考核，多角度考查学生学习情况。这样的教学改革有助于建立适应新工科要求的酶工程CDIO课程教学新模式，培养具有创新精神、实践能力、社会责任感、解决复杂工程问题能力、国际视野和家国情怀，了解学科前沿与行业发展，能够引领生物产业发展的高素质酶工程技术人才。

［关键词］新工科；酶工程课程；工程教育；课程教学改革

［中图分类号］G642.0 ［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2024）12-0029-04

CDIO（conceive， design， implement和operate）是由麻省理工学院和瑞典皇家工学院等提出的一种新的工程教育模式，是国际工程教育改革发展的新趋势，顺应时代发展和人才培养需求[1-2]。CDIO将工科类学生的培养大纲分为工程基础知识、个人能力、人际团队协作能力和工程系统能力四个层面[3]。随着新工科的发展，CDIO教学模式逐渐受到重视，在新工科教育方面发挥着越来越重要的作用。CDIO 工程教育模式已经被引入许多专业课程教学实践中，比如以精密机械设计为切入点的机械相关专业教学改革[4]，以食品化学为切入点的食品专业教学改革[5]，以C语言程序设计为切入点的计算机专业教学改革[6]，但在酶工程课程教学改革方面的应用研究较少。笔者结合自己多年来在酶工程课程教学方面的经验，坚持以学生发展为中心，以酶的工业化生产为主线，基于专业人才培养质量标准，强调工科教育质量的保障，制订、实施了新的人才培养方案，创新了酶工程CDIO工程教育模式，以筑牢学生酶学知识基础，拓宽学生酶行业视野，培养学生的家国情怀，探索出一条符合新工科培养要求的、适用于新时代生物产业人才需求的酶工程课程教学新模式。

一、开展酶工程CDIO课程教学改革的必要性

（一）随着生物经济的发展，相关企事业单位对酶工程人才有着迫切需求

酶来源于动物、植物或微生物，是生物催化的核心[7]。经历了半个多世纪的迅速发展，酶制剂已成为一个独立且富有活力的高新技术产业，覆盖洗涤、纺织、制革、饲料、造纸和食品等诸多领域，每年创造工业附加值达数千亿元，并以大于8%的速度增长。我国是世界酶制剂生产大国，也是酶制剂应用大国，酶的市场需求巨大[8]。我国《“十四五”生物经济发展规划》中明确提出将绿色生物制造作为生物经济战略性新兴产业的发展方向，其中，酶制剂产业将在绿色生物制造方面发挥重要作用。然而，酶工程专业技术人员与管理人员数量和质量相对缺乏，在一定程度上制约着酶制剂产业的发展。现代生物技术的发展离不开酶工程专业人才的创业实践，企业对生物新技术和新产品的迫切需求，也要求高校加快酶工程创新创业人才的培养。

（二）有助于支撑新工科建设，支持工程教育专业认证，造就复合型卓越工程师

随着人工智能、生命科学、物联网、机器人、新能源、智能制造等一系列创新变革的发展，第四次工业革命悄然而至。为了应对新的产业变革与科技革命，教育部于2017年形成了“复旦共识”和“天大行动”，以提高人才能力为核心，变革传统工科专业，推动高校工科专业改革，助力高等教育强国建设。培养学生的创造性思维、创新精神、创业意识，提高学生的创新创业能力，已成为新时代高等教育的使命。酶工程是一门与化学工程紧密结合的综合性学科，涉及食品、饲料、医药、环保、石化等多个领域。酶工程专业人才不仅要具备相关专业基础扎实的理论知识和实验技能，而且要具有创新意识、创新能力、分析和解决实际问题的能力，能够针对具体问题拓宽知识面，实现相关学科知识点的融会贯通，积极融入产业的发展与革新[9]。酶工程是生命科学领域最易实现创新创业人才培养的课程之一，可以通过课程改革建立新的教学体系与育人模式，培养一批酶工程创新创业人才，带动生命科学其他学科创新创业人才的培养，推动整个生物技术产业的革新升级。

（三）现阶段酶工程课程教学实践有很多方面需要改进

酶工程是酶学基础理论与现代生物、化学和工程技术相融合的一门新兴科学，技术性、应用性极强，具有多学科融合交叉的特点[10]。作为一门实践性课程，酶工程连接着生命科学的基础与应用研究，是实现基因工程、发酵工程、细胞工程、分离工程等产业化的桥梁和重要环节。酶工程课程教学体系已有较多改革模式，出现了OBE教学、PBL教学、混合式教学、辩论式教学、科教融合教学、DOM课堂、SPOC教学等多种新型教学形式。虽然上述教学形式都强调以学生为主体，强调提高学生学习的主动性，强调理论知识与应用实际相结合，但就其总体而言，往往存在以下不足：课程教学内容陈旧，难以适应社会的需求；偏重理论教学，对实践能力培养不够；知识点过于独立，工程思维培养欠缺；内容多为验证性实验，各实验内容之间缺乏关联。学而难以致用是工程教育教学中存在的主要问题，部分毕业生实践能力较差，工程思维较为缺乏，与市场需求脱节。

二、酶工程CDIO课程教学改革与教学实践

（一）课程教学内容与生产实践相结合，实现课程内容工程化

优化教学大纲，整合课程内容，更新课程知识点，增强课程不同内容间的逻辑性、不同章节间的衔接性，提高课程内容与工程的联系。课程内容分为基础理论、学科前沿及工程实践三部分。基础理论部分，将课程内容分为酶学基础（酶的命名、酶结构与催化特点、酶催化机理、酶计算）、酶的生产（酶分离纯化、液态发酵产酶、固态发酵产酶）、酶的改造（酶固定化、酶化学修饰、酶生物修饰）、酶的应用（非水相酶、抗体酶、酶反应器）四个进阶。这一部分着重讲授酶活性基团结构与功能间的关系，催化反应的化学机制，化学工程中的“三传一反”，生物体内酶分子表达的基本过程等相关基础理论知识。学科前沿部分，以酶学发展史为主线，介绍酶工程发展不同阶段的标志性事件，讲授科学大师思考、解决问题的思路与方法，给学生提供国内外经典学术期刊，提出具体酶工程问题，要求学生在查阅、总结文献的基础上，以小组形式展开讨论，形成自己的论点。工程实践部分，以饲用酶的工业化生产为背景，以酶工业化生产中的行业痛点为线索，丰富课程教学体系，通过虚拟仿真实验、酶改造与中试实验、工厂参观认知实习强化实践教学环节，提高学生的实践能力；充分发挥行业导师的作用，通过行业导师实践大讲堂等形式介绍酶制剂产业现状与行业发展趋势，引导学生收集素材、总结企业案例，使理论与实践得以有机结合。如图1所示。

（二）采用多样化的教学形式和考核方式，提升学生解决实际工程问题的能力

丰富授课形式，采用多样化的考核方式。综合利用课堂讲授、课堂讨论、课堂报告、课下分组讨论、课下合作学习、线上指导、线上讨论等教学形式。基础理论以课堂讲授为主，工程实践以课下合作学习和线上指导为主，学科前沿以课堂讨论、课下分组讨论、线上讨论为主。多角度考查学生知识掌握的情况，综合评定学生的学习效果。课程作业和课堂报告重点考查学生的互相协作情况、利用知识解决问题的能力。平时考核重在端正学生学习态度，督促学生认真完成课堂学习、主动参与课下协作、积极完成课下作业。利用多种教学软件（如智慧树、雨课堂等）开展课程教学与课程评价，动态掌握学生的学习情况，分析教学反馈结果，改进课程教学体系。同时融入课程思政元素，讲授酶学基础研究或酶制剂产业发展背后的科学及人文故事。充分利用教学团队开发的具有完全自主知识产权的“草食家畜益生元工业化生产虚拟仿真实验”平台，采用线上教学和线下实践相结合的混合式教学方法，培养学生解决实际问题的能力。通过虚拟仿真实验，支持学生线上开展菌种改造、发酵工艺流程设备认知、发酵工艺过程体验和常见发酵问题分析与解决，使学生能够将酶工程上中下游有机结合起来。线下环节要求学生完成饲用酶的中试实验，以解决发酵设备限制、场地限制，以及由部分高压、高温设备的风险等因素导致的研究生实验教学学时少、实操少、工程训练不足等问题，补齐实操实验教学的短板，提升实践教学训练效果。

（三）优化课程教学实施与评价办法，多方位考查学生学习效果

优化课程教学实施办法。教师课堂讲授22学时，着重讲授酶工程基础经典理论及其发展历程，夯实学生专业基础，引导学生了解学科发展前沿。讨论课教学安排10学时。学生课下主动学习、互助合作学习、精准查阅文献、准备好材料，教师在线指导、答疑，学生自主、合作学习完成课堂讨论和课程作业等。实践教学安排16学时，包括虚拟仿真实验、实验室实验、工厂参观实习。

优化课堂讨论评价办法。课堂讨论满分20分。学生每3人为1个小组，根据课程题目，课下收集材料、制作教学课件，课堂汇报并讨论。考核方式为学生互评打分。每次课堂讨论满分20分，其中课堂报告满分10分，报告内容、观点明确的评0～2分，条理清晰、逻辑性强的评0～6分，格式美观、图文并茂的评0～2分。该分数由教师根据评分要求给出10、8、6、4、2、0分。课堂辩论环节满分10分，要求观点明确、条理清晰、论据充分、态度积极，该分数由学生评分小组根据评分要求给出10、8、6、4、2、0分。5次课堂讨论成绩的平均分为该生课堂讨论的最后分数。

优化课程作业评价办法。课程作业通过教师线上指导与学生课下学习完成。每次课程作业满分20分，教师根据评分要求给出分数。参照《内蒙古大学学报》（自然科学版）的格式，要求包括题目、作者、摘要、关键词、前言（引言）、正文、结语（小结）和参考文献，符合的评0～2分；字数不少于500字，评0～2分；内容的具有学术前沿性，逻辑性强，条理清楚，论述内容完整，评0～10分；结论，对综述正文部分作简明扼要的总结，对各种观点进行综合评价，提出自己的看法，指出存在的问题及今后发展的方向和展望，评0～6分。5次课程作业成绩的平均分为该生课程作业的最后成绩。

优化学习过程成绩评价办法。学习过程成绩满分10分，教师根据学生学习态度等综合给出10、8、6、4、2、0分。迟到1次扣3分，回答问题1分/次，主动提出问题并和老师讨论2分/次，积极组织同学开展互助学习和讨论3分。

学校在考试周统一考试。期末考试卷面考试范围为课程全部内容，闭卷考试满分100分。学生最终成绩=期末考试卷面成绩×50%+课堂讨论成绩×20%+课程作业成绩×20%+合作性学习过程成绩×10%。

三、酶工程CDIO课程教学改革与实践创新点

酶工程CDIO课程教学改革与实践强调课程基础理论、实践训练和学科前沿三者并重，交叉融合，互为支撑，教学实施各个环节以培养符合新时代要求，具有基础扎实专业技能、奉献精神、家国情怀的卓越工程师为目标。课程教学改革强调以学生为本，强调教学环节与社会实践活动紧密结合，通过构思、设计、实现和运行四融合，使学生在实践中学习增长专业知识，提高工程实践技能，积累生产经验，培养工程意识和品质，强化团队交流与合作能力，增强终身学习能力。

［ 参 考 文 献 ］

[1］ CRAWLEY E F， BRODEUR D R， SODERHOLM D H. The education of future aeronautical engineers： conceiving， designing， implementing and operating [J]. Journal of science education and technology， 2008（17）： 138-151.

[2］ 乔建华， 李素月， 张雄， 等. 基于CDIO 理念的研究生实践教学体系的构建 [J]. 大学教育， 2023（8）： 75-77.

[3］ 李登， 马彦昭， 肖晓晖. 基于CDIO 教学理念的机械制造工艺学课程多元化教学模式研究 [J]. 大学教育， 2023（7）： 21-24.

[4］ 贾冠伟， 彭茂军， 何宇轩， 等. 基于OBE-CDIO教育理念的新型课堂教学探索：以“精密机械设计”课程为例 [J]. 教育教学论坛， 2022（52）： 88-91.

[5］ 赵俊仁， 熊岑， 张玲， 等. 基于OBE-CDIO背景下“食品化学”课程教学改革探索与实践 [J]. 食品工业， 2023，44（1）：187-189.

[6］ 房琛琛，齐琪，陈龙，等. CDIO理念下的《C#程序设计》实验教学设计 [J]. 计算机技术与发展， 2022，32（10）： 194-200.

[7］ SHARMA A， BALDA S， CAPALASH N， et al. Engineering multifunctional enzymes for agro⁃biomass utilization[J]. Bioresource technology，2022（347）： 126706.

[8］ 郑宏臣， 徐健勇， 杨建花， 等. 工业酶与绿色生物工艺的核心技术进展 [J]. 生物工程学报， 2022，38（11）：4219-4239.

[9］ 张泽栋， 张辉. “酶工程原理”课程教学分析与改革研究：以食品科学与工程专业为例[J]. 教育教学论坛， 2022（33）： 49-52.

[10］ 程峰， 熊能， 翁春跃， 等. 新工科教育背景下“酶工程”课程教改的探索与实践 [J].生物加工过程， 2022，20（3）：342-347.

［责任编辑：庞丹丹］